1. Θέματα

Σάν σήμερα τό 1889: Τζούλ.

Τοῦ Τάσου Γέροντα


Ὁ Τζέιμς Πρέσκοτ Τζάουλ (ὀρθή προφορά: Τζούλ, ἀγγλικά: James Prescott Joule) ἦταν Ἄγγλος φυσικός, μαθητής τοῦ Τζόν Ντάλτον, πού συνέβαλε τά μέγιστα στήν ἀνάπτυξη τῶν σύγχρονων γνώσεων σέ πολλά ἐπιστημονικά πεδία, ὅπως ἡ θερμότητα, ὁ ηλεκτρισμός καί ἡ θερμοδυναμική. Ὑπῆρξε ἀπό τούς πρώτους πού διέγνωσαν τήν ἀναγκαιότητα καί τή σημασία πού ἔχουν γιά τίς ἐπιστῆμες οἱ ἀκριβεῖς μετρήσεις τῶν φυσικῶν φαινομένων καί σέ ὅλη του τή ζωή ἀσχολήθηκε περισσότερο μέ τήν ἀνεύρεση τῶν ποσοτικῶν σχέσεων.


Ὁ Τζέιμς Τζούλ γεννήθηκε στίς 24 Δεκεμβρίου 1818 στό Μάντσεστερ τῆς Ἀγγλίας. Ἦταν τό δεύτερο ἀπό τά πέντε παιδιά τοῦ Μπέντζαμιν Τζούλ καί τῆς Ἄλις Πρέσκοτ. Εἶχε 2 ἀκόμη ἀδελφούς καί 2 ἀδελφές . Ὁ πατέρας του ἦταν πλούσιος ζυθοποιός, μέ ζυθοποιία πού εἶχε δημιουργήσει ὁ παππούς του Τζέιμς ἔξω ἀπό τό Μάντσεστερ.

Ὁ νεαρός Τζέιμς ἦταν ἕνα λεπτό παιδί, μέ ἀδύναμη ὑγεία. Μή μπορῶντας νά παρακολουθήσει τό κανονικό σχολεῖο, πῆρε ἀρχική ἐκπαίδευση ἀπό τή θεία του στό σπίτι. Μέχρι τήν ἡλικία τῶν 15 ἐτῶν ἐκπαιδεύτηκε ἀπό ἰδιωτικούς δασκάλους.
Ἀπό μικρός εἶχε γοητευθεῖ μέ τόν ἠλεκτρισμό καί τά ἀποτελέσματά του. Αὐτή ἡ ἀγάπη τόν ἔσπρωξε νά στήσει στό σπίτι του ἐργαστήριο, ὅπου πραγματοποιοῦσε πειράματα ἠλεκτρισμοῦ.

Ἀπό τήν ἡλικία τῶν 15 ἐτῶν, μαζί μέ τόν ἀδελφό του Μπέντζαμιν, ἀνέλαβαν ὁλοκληρωτικά τήν οἰκογενειακή ζυθοποιία, ἐπειδή ὁ πατέρας τους εἶχε σοβαρά προβλήματα ὑγείας.

Παράλληλα ξεκίνησε νά παίρνει μαθήματα ἀπό τόν διάσημο χημικό Τζόν Ντάλτον. Κοντά στόν Ντάλτον ἀπέκτησε τήν ἱκανότητα χρήσης πολλῶν πειραματικῶν συσκευῶν. Ἔτσι, ἔστησε ἕνα ὀργανωμένο πειραματικό ἐργαστήριο σ' ἕνα δωμάτιο στό πατρικό σπίτι.


Οἱ πρῶτες ἕρευνες τοῦ Τζούλ ἦσαν σχετικές μέ τόν μαγνητισμό. Τό 1838, σέ ἡλικία 19 ἐτῶν, δημιούργησε ἕναν ἠλεκτρομαγνητικό κινητήρα. Αὐτό τόν ὤθησε τό 1840 νά ἀντικαταστήσει τίς ἀτμομηχανές τῆς ζυθοποιίας μέ ἄλλες, ἠλεκτροκίνητες, καταφέρνοντας νά πετύχει καλύτερη ἀπόδοση.


Τό 1841 σχεδίασε ἕνα πείραμα, μέ τό ὁποῖο πέτυχε νά καθορίσει μία σχέση ἀνάμεσα στήν ἔνταση τοῦ ἠλεκτρικοῦ ρεύματος, τήν ἀντίσταση τοῦ ἀγωγοῦ καί τό ποσό τῆς θερμότητας πού ἐλευθερώνεται σέ ἕναν ἀγωγό. Αὐτή ἡ σχέση σήμερα εἶναι γνωστή ὡς "νόμος τοῦ Joule".


Γιά νά μετρήσει μέ ἀκρίβεια τήν ἀναλογία μηχανικῆς πρός θερμική ἐνέργεια, αὐτό πού σήμερα ὀνομάζουμε μηχανικό ἰσοδύναμο τῆς θερμότητας, ὁ Τζούλ ἐπινόησε μία ἀπό τίς πιό ἐνδιαφέρουσες πειραματικές διατάξεις. Αὐτή ἀποτελεῖται ἀπό ἕνα θερμικά μονωμένο κυλινδρικό δοχεῖο, γεμᾶτο μέ νερό, τοποθετημένο κατακόρυφα. Στό ἐσωτερικό τοῦ δοχείου περιστρέφεται μία φτερωτή, ἐνῶ στά τοιχώματα τοῦ δοχείου ὑπάρχουν σταθερά πτερύγια, στά διάκενα τῶν πτερυγίων τῆς φτερωτῆς. Στόν ἄξονα τῆς φτερωτῆς εἶναι τυλιγμένος ἕνας σπάγκος, στήν ἄλλη ἄκρη τοῦ ὁποίου εἶναι δεμένο ἕνα βάρος. Ἄν ἀφήσουμε τό βάρος νά πέσει ἀπό ἕνα ὁρισμένο ὕψος, ὁ σπάγκος περιστρέφει τή φτερωτή ἕως ὅτου τό βάρος φτάσει στό ἔδαφος. Τότε ἡ δυναμική ἐνέργεια τοῦ βάρους ἔχει μετατραπεῖ σέ θερμότητα, λόγῳ τριβῆς μεταξύ τῶν μορίων τοῦ νεροῦ, ἡ ὁποία ἔχει ἀνεβάσει τή θερμοκρασία τοῦ νεροῦ στό δοχεῖο.



Ὁ Τζούλ μετροῦσε τή θερμοκρασία τοῦ νεροῦ πρίν καί μετά τό πείραμα καί ὑπολόγιζε στή συνέχεια πόσες θερμίδες εἶχαν προστεθεῖ στό νερό, ἀπό τή γνωστή σχέση τῆς θερμιδομετρίας Q = mc (ΔΤ), ὅπου m ἡ μᾶζα τοῦ νεροῦ, (ΔΤ) ἡ μεταβολή τῆς θερμοκρασίας καί c ἡ εἰδική θερμότητα τοῦ νεροῦ, πού ἰσοῦται μέ 1. Στή συνέχεια ἐξίσωνε τή θερμότητα Q, μετρημένη σέ θερμίδες, μέ τή δυναμική ἐνέργεια τοῦ βάρους μετρημένη στίς μονάδες ἐνέργειας ἐκείνης τῆς ἐποχῆς, καί ὑπολόγιζε τό πηλίκο τῶν δύο ἀριθμῶν. Ἡ δυναμική ἐνέργεια, W, εἶναι ἴση μέ Μgh, ὅπου Μ ἡ μᾶζα τοῦ βάρους, h τό ὕψος πτώσης καί g ἡ ἐπιτάχυνση τῆς βαρύτητας, πού στό σημερινό σύστημα μονάδων ἰσοῦται μέ 10. Ἐπειδή ἡ μᾶζα τοῦ βάρους καί τό ὕψος πτώσης μποροῦν νά μετρηθοῦν μέ μεγάλη ἀκρίβεια, εἶναι φανερό ὅτι ἡ ἀκρίβεια τοῦ ὑπολογισμοῦ τοῦ μηχανικοῦ ἰσοδύναμου τῆς θερμότητας ἀπαιτοῦσε ὅσο τό δυνατόν μεγαλύτερη ἀκρίβεια στή μέτρηση τῆς θερμοκρασίας τοῦ νεροῦ.

Μέ τό πιό ἐξελιγμένο ἀπό τά πειράματά του ὁ Τζούλ μπόρεσε νά ὑπολογίσει ὅτι 1 θερμίδα ἰσοῦται μέ 4,16 joule. Τό παραπάνω ἀποτέλεσμα εἶναι πάρα πολύ κοντά στήν τιμή τοῦ ἰσοδυνάμου τῆς θερμότητας πού δεχόμαστε σήμερα, 4,19 joule ἀνά θερμίδα.


Τό πείραμα τοῦ Τζούλ ἦταν ἡ πρώτη ἀδιαμφισβήτητη πειραματική ἀπόδειξη τῆς ἀρχῆς τῆς διατήρησης τῆς ἐνέργειας, ἡ ὁποία ἀποτελεῖ ἕνα ἀπό τά θεμέλια τῆς σημερινῆς Φυσικῆς. Γιά τόν λόγο αὐτόν ἡ μονάδα ἐνέργειας τοῦ πλέον διαδεδομένου σήμερα συστήματος φυσικῶν μονάδων ἔχει ὀνομασθεῖ joule, πρός τιμήν τοῦ μεγάλου ἐρασιτέχνη φυσικοῦ.


Ἀξίζει νά ἐπισημάνουμε ὅτι οἱ ἀνακαλύψεις τοῦ Τζούλ καί τά ἀποτελέσματα τῶν ἑρευνῶν του δέν συνάντησαν τήν ἄμεση ἀποδοχή καί συναίνεση τῶν ἐπιστημόνων τῆς ἐποχῆς του.


Ὁ Τζέιμς Πρέσκοτ Τζούλ πέθανε στό Σέιλ τῆς Ἀγγλίας σέ ἡλικία 71 ἐτῶν μετά ἀπό μακροχρόνια ἀσθένεια. Τήν ἡμέρα ἐκείνη τό ἡμερολόγιο ἔδειχνε 11 Ὀκτωβρίου 1889.